近年來，我國的經濟發(fā)展迅速，城市規(guī)模正在快速擴大，生態(tài)環(huán)境的惡化也隨之而來。據(jù)報道，人類生產與生活中排放到環(huán)境里的有害化學物質已超過50多萬種，使傳統(tǒng)的環(huán)境水質分析技術面臨巨大挑戰(zhàn)。今年公布的《第一次全國水利普查公報》指出，我國約38%工業(yè)用水和70%農業(yè)用水還未監(jiān)測計量，50%的水功能區(qū)尚無監(jiān)測手段，52%的省界斷面未開展水質監(jiān)測，也顯示我國在水質監(jiān)測上有著很大的缺口，要滿足水環(huán)境管理和治理仍有困難，水質監(jiān)測技術及設備有著巨大的需求。
2012年11月立項，并于2013年1月啟動的國家重大科學儀器設備開發(fā)專項“水中有毒污染物多指標快速檢測儀器”項目，引發(fā)業(yè)界關注，這一技術及設備與傳統(tǒng)的水質分析方法有何不同，將為我們的水質分析工作和行業(yè)帶來什么改變?近日，儀器信息網探訪了清華大學環(huán)境學院，采訪了國家重大科學儀器設備開發(fā)專項“水中有毒污染物多指標快速檢測儀器”項目(以下簡稱“該項目”)的項目負責人、安恒環(huán)境科技(北京)股份有限公司總經理萬眾華，及項目技術負責人、清華大學施漢昌教授。
左:清華大學施漢昌教授,右: 安恒環(huán)境科技(北京)股份有限公司總經理萬眾華
項目研究歷程
用于生物敏感材料研究的實驗室
據(jù)了解，該項目的核心技術是基于以抗體和功能基因為敏感材料的生物傳感器技術，研發(fā)出的儀器可對多種污染物同時進行快速檢測。在施漢昌擔任負責人的清華大學現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測技術研究組的實驗室中，我們看到有一間實驗室用于生物敏感材料的研究與制備，另一間實驗室正在進行儀器和檢測方法的研究與開發(fā)。
便攜式儀器樣機
儀器所用光纖
在實驗室中，一位博士生正在使用儀器進行鉛的檢測，這是項目早期的一臺單指標的便攜式儀器樣機，其光纖傳感器置于流動池內，生物材料修飾在光纖前端的表面上，由激光激發(fā)熒光物質，對污染物進行檢測，再經過光電轉換，生成數(shù)據(jù)。
實驗室型環(huán)境污染物多指標分析儀
另一臺正在進行檢測的實驗室型多指標分析儀已經比較接近成品，該儀器在玻片上固定生物材料，使用時將玻片裝入儀器內，激光由斜面進入玻片并進行數(shù)次反射，對8個固定點上的標記了熒光染料的生物材料進行激發(fā)，同時檢測多種污染物。另據(jù)介紹，在線型儀器的研究成果也已經發(fā)表。
施漢昌表示，該項目的相關研究其實已有十多年的歷史�，F(xiàn)在很多高新技術均來源于上世紀90年代后期的一批新技術領域，如基因工程和新型材料等。為了把這些高新技術引入到環(huán)境領域中，研究團隊做了兩年多的調研，研究環(huán)境中哪個領域適合引入這些新技術，而調研的結論是，在環(huán)境監(jiān)測領域中開展新型儀器研究是引入和整合高新技術的最佳方向。當時，研究團隊確定開展這方面的應用基礎研究，如生物檢測的敏感材料及其修飾技術等。當時正是1999年，在此之前，清華大學環(huán)境工程系(清華大學環(huán)境學院的前身)還從未做過儀器的研發(fā)，相關研究的進行開拓了一個新的研究方向，也是在這一年，環(huán)境工程系招收了第一個以環(huán)境監(jiān)測儀器為研究方向的博士生。
由于是全新的研究方向，研究工作剛起步時，還不為人知，也缺少經費，在研究開展了三四年之后才獲得了學校的第一筆研究基金。隨后研究工作獲得了兩個863課題的支持，研究的進度加速，并不斷與實際應用結合，明確了污染物監(jiān)測儀器的發(fā)展方向。到2005年，儀器已有了雛形，比較接近實際樣機。在此基礎上，研究團隊與安恒環(huán)境科技(北京)股份有限公司合作申請了國家重大儀器專項。
回顧這些年來的研究，施漢昌認為，其他領域的一些研究成果，比如電子信息、生物材料這些其他學科的技術，如果想要在環(huán)境領域中得到應用，就需要與環(huán)境領域的現(xiàn)實問題相結合，產生新的手段，來解決環(huán)境領域的問題，這也是團隊的主要創(chuàng)新思路之一。儀器是高度集成的系統(tǒng)，是應用生物技術和材料非常好的載體，而環(huán)境監(jiān)測方法與環(huán)境監(jiān)測儀器，是重要的結合方向。
“該項目中的大部分技術是屬于比較前沿的技術，目前歐美也只有少數(shù)機構達到可以用于測試的技術水平。”施漢昌認為，生物及基因技術已超出了生命科學領域的范圍，進入到材料領域，在此方向上將發(fā)展出一系列有別于傳統(tǒng)化學分析方法的新檢測方法，可以成為中國儀器業(yè)的一個新發(fā)展方向，而且與國際上的研究差不多同步，也是國產儀器技術縮小與國外差距的一個機會。
項目進展
基于目前的研究成果，儀器對數(shù)種有機有毒物、部分重金屬和數(shù)種生物毒素，總計十余種污染物的檢測技術相對已經比較成熟，也能夠實現(xiàn)以同一傳感器對3種污染物同時進行檢測，而未來可實現(xiàn)在同一臺儀器中對更多種污染物的同時檢測。而是否能實現(xiàn)對更多污染物的檢測，則取決于是否有合適的生物敏感材料及修飾技術。
目前，該項目所研究的儀器及檢測技術主要在藻毒素等污染物的檢測上最具優(yōu)勢，兩年以來，安裝在蘇州的樣機一直在進行藻毒素的檢測并與HPLC(高效液相色譜法)、ELISA(酶聯(lián)免疫吸附法)進行了多次對照。通常檢測方法完成一次檢測至少需2小時，而使用“水中有毒污染物多指標快速檢測儀器”，僅需10分鐘左右，采樣量、藥劑量也更少。
施漢昌還透露，不僅是水質污染物檢測，項目在食品安全方面也有很好的應用前景。目前已針對乳品中三聚氰胺、黃曲霉素、氯霉素等的檢測進行了研究，檢測結果能達到比國家及WHO標準低一個數(shù)量級的精度，儀器的操作也相當簡單，不需要復雜的前處理工作。
據(jù)萬眾華介紹，目前項目的研究已不僅是儀器，而是一個完整的體系，包括專用的生物試劑、檢測方法、儀器應用和監(jiān)測標準等，而工作目標在于實現(xiàn)產業(yè)化。參與項目的共有十余家單位，其中安恒為項目牽頭單位，清華大學和中國人民大學負責技術研究，安恒與金達清創(chuàng)公司負責產業(yè)化開發(fā)，長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心、蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心站、肇慶市環(huán)境保護監(jiān)測站、國家果類及農副加工產品質量監(jiān)督檢驗中心等4個單位負責應用開發(fā)，中國環(huán)境監(jiān)測總站等單位負責檢測標準的研究與編制。
對這一新技術和儀器的應用前景，萬眾華表示樂觀：“我們的項目非常貼近水質檢測的實際需要，項目本身就是基于一定的需求，整個研發(fā)過程也一直都很重視用戶需求和應用，設有用戶委員會促成用戶的參與，每一項研發(fā)成果都會在幾家參與單位進行應用，在應用中不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷改進。而檢測方法和整體解決方案的開發(fā)，也能滿足未來對環(huán)境監(jiān)測的需要。清華大學能夠提供良好的技術支撐，合作堪稱完美。”據(jù)了解，項目在中國宜興環(huán)�？萍脊I(yè)園的支持下，已于江蘇宜興投資一千余萬元，正在建設產業(yè)化基地，該基地將為“水中有毒污染物多指標快速檢測儀器”項目及其他一些新儀器的研發(fā)生產提供保障。
編輯手記
中國水質分析儀器市場目前增長迅速，而隨著水污染的加劇，以及污染物控制和處理日益受重視，未來幾年水質分析儀器可能會有更大的增長。多參數(shù)測定、高效率和低成本等都很受國內用戶的重視，“水中有毒污染物多指標快速檢測儀器”這一技術和設備比較切合這方面的需求，也帶來了新的發(fā)展機遇。
新儀器的發(fā)展往往需要長期堅持研究，才能從技術原理到原理樣機、工程樣機直到商業(yè)機型不斷推進，而從本次采訪中得知，“水中有毒污染物多指標快速檢測儀器”這一項目的進展，也是來自團隊十余年以來的持續(xù)研究和積累。堅持教學工作的施漢昌，這些年來一直在培養(yǎng)生物傳感器和污水處理方面的學生，這一點也令人印象深刻。在筆者看來，對于缺乏人才的儀器及環(huán)保行業(yè)，人才培養(yǎng)的意義或許并不亞于新產品的研究。
